Capítulo 3: Propriedades de uma Substância Pura

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Capítulo 3: Propriedades de
uma Substância Pura
Substância pura
Princípio de estado
Equilíbrio de fases
Diagramas de fases
EM524 - Fenômenos de Transporte
Profa. Dra. Carla K. N. Cavaliero
Substância Pura
• Substância pura é a aquela que tem composição
química invariável e homogênea;
• Pode existir em uma ou mais fases mas com a
mesma composição química em todas as fases;
• Exemplos:
Nitrogênio (substância pura simples)
Dióxido de carbono (substância pura composta)
Água - fases sólida, liquida e gasosa;
Uma mistura de diversos estados da água é
considerada como sendo uma substância pura:
líquido-gás, sólido-líquido e sólido-gás;
– Algumas misturas homogêneas de gases, desde que
não ocorra mudança de sua fase gasosa.
–
–
–
–
Substância Pura
Água
Ar
vapor
vapor
líquido
líquido
substância pura
não é uma substância pura
(diferentes temperaturas de
condensação para diferentes
componentes)
Princípio de estado
O número de propriedades independentes
requerido para especificar um estado
termodinâmico de um sistema é:
N+1
onde N é o número de formas de trabalho
reversível possíveis.
• Esta
relação
experimentais.
provém
de
observações
Sistema simples compressível
•
•
•
Um sistema simples é constituído por uma
substância simples.
Um exemplo destes é o sistema simples
compressível. Neste, a tensão superficial, os
efeitos magnéticos, elétricos, gravitacionais e
cinéticos não são significantes.
A única forma de trabalho reversível é aquela
devido a uma variação de volume. Logo, só há
uma forma de trabalho reversível:
W = ∫ PdV
Sistema simples compressível
•
O número de propriedades independentes será
2:
N + 1,
onde N = 1 (um trabalho reversível)
•
Assim, o estado de um sistema simples
compressível é determinado especificando-se
duas propriedades independentes, como por
exemplo:
•
•
•
P = P (υ
υ, T)
υ = υ (P, T)
T = T (P, υ)
E como se obtém estas
propriedades?
• Equações de estado
• Tabelas de propriedades
Equação de estado
•
As equações usadas para relacionar as
propriedades são as chamadas Equações
de estado.
•
Um exemplo é a equação dos gases ideais:
PV = n R T
onde R = constante universal dos gases
Tabelas de propriedades
•
Apresenta as propriedades termodinâmicas
das substâncias mais comuns.
•
Estas propriedades foram medidas e
apresentam-se tabuladas em livros de
propriedades termodinâmicas.
Equilíbrio de Fases (Vapor- líquidoSólido)
Como ocorre a transformação de fase
de um sistema simples compressível?
Processo isobárico de aquecimento de água
• 1 Etapa - Aquecimento da massa de líquido:
– A temperatura sobe até o líquido começar a evaporar;
– O volume específico aumenta ligeiramente;
• 2 Etapa - Transformação de fase:
– A temperatura permanece constante enquanto o
líquido se transforma em vapor;
– O volume específico aumenta significativamente;
• 3 Etapa - Aquecimento de vapor:
– Há o aumento da temperatura e do volume específico
durante essa fase;
Água
Líquida
Vapor d’água
Água
Líquida
Vapor d’água
Vapor d’água
Água
Líquida
Vapor d’água
Água
Líquida
Diagrama T - υ
P
3 Etapa
2 Etapa
1 Etapa
Repetindo o processo de aquecimento
para diferentes pressões do sistema...
Serão obtidos outros caminhos
similares.
Região de saturação
• É a região em que ocorre uma mudança de fase
da substância.
• Nesta região há um mistura de líquido e vapor
(líquido e vapor coexistem em equilíbrio);
• As propriedades termodinâmicas são
determinadas a partir das do líquido e do vapor
saturado;
– As propriedades para esses pontos são obtidas nas
tabelas de saturação;
– São representados pelo subscrito l e v,
respectivamente;
– O subscrito lv representa a diferença entre a
propriedade na fase líquida e na de vapor.
• Quem define a fração mássica de vapor
saturado em uma mistura líquido-vapor é uma
propriedade intensiva chamada título (x), que é
definido por:
mv
mv
x=
=
m t m v + ml
• Quando o título for igual a 0: apenas líquido
saturado está presente;
• Quando o título for igual a 1: apenas vapor
saturado está presente.
Relações com o título (x)
mv
mv
x=
=
mt m v + ml
V Vl + Vv
ν=
=
mt
mt
m l v l + m v v v (1 − x)mt v l + xmt v v
ν=
=
mt
mt
ν = ν l + x(ν v − ν l )
h = h l + x(h v − h l )
u = u l + x(u v − u l )
Nomenclatura da região de saturação
• Todas as propriedades nessa região são
seguidas do termo saturação:
– Temperatura de saturação, pressão de saturação, etc;
• Além da saturação líquido-gás, a outras como:
– Sólido-líquido;
– Sólido-gás;
• Na disciplina, trataremos mais da saturação
líquido-gás.
Composição da
mistura: fração
de gás + fração
de líquido
Tsat = f (Psat)
P = 1atm = 101,3 kPa,
P = 500 kPa,
o
T = 100 C
o
T = 151,9 C
• T e P são propriedades dependentes durante a
mudança de fase.
• Neste caso, pressão e volume específico ou
pressão e título serão necessários para especificar
o estado de saturação de uma substância pura.
Calor latente
•
É a quantidade de energia que uma unidade de
massa necessita para que ocorra a mudança de
fase.
•
Calor latente de fusão da água (Lf) à 1 atm:
333,7 kJ/kg
•
Calor latente de vaporização da água (Lv) à 1 atm:
2257,1 kJ/kg
Região de líquido sub-resfriado
• Corresponde à região em que a temperatura é
menor que a de saturação para a pressão em que
se encontra o sistema. Também é conhecida
como região de líquido comprimido.
• Nem todas as substâncias têm tabelas para essa
região:
– Nesses casos, deve-se usar os dados do líquido
saturado à mesma temperatura;
– Quando há tabelas para essa região, as propriedades
são tabeladas em função da temperatura e da pressão.
• Como nessa região toda substância se encontra
na fase líquida, não há sentido falar em título.
– As propriedades são obtidas diretamente na tabela.
Região de vapor superaquecido
• Corresponde à região na qual a temperatura do
sistema é maior que a temperatura de saturação
na pressão do sistema.
• Além disso, toda a massa do sistema se
encontra na forma de vapor.
• Por isto, não tem sentido se falar em título (assim
como na região de líquido sub-resfriado).
• As propriedades dessa região são tabeladas em
função da pressão e da temperatura.
• A temperatura tabelada começa na temperatura
de saturação.
Ponto Crítico
• É o ponto máximo no qual líquido e vapor
saturado podem coexistir em equilíbrio.
• A temperatura, pressão e volume neste
estado recebem a terminologia crítica.
• A curva de saturação apresentará uma
inflexão.
Água
Dióxido de
Carbono
Oxigênio
Hidrogênio
Temperatura Crítica [ºC]
374
Pressão Crítica [atm]
225.4
Volume Crítico [m 3/kg]
0.0032
31
75.3
0.0022
-118
-240
51.7
13.2
0.0023
0.0333
Condição supercrítica
•
•
•
•
É a aquela que está acima das propriedades no
ponto crítico.
Nestes casos, o fluido pode passar de uma região
em que suas propriedades são como aquelas de um
líquido para um região em que as propriedades são
como aquelas de um vapor, sem ter que passar por
uma mudança de fase distinta.
A mudança é gradual e contínua.
As substâncias nesta região são normalmente
conhecidas como fluidos e não como líquido ou
vapor.
A
B
Diagrama de fase P-T
w
2, 3 4
1
5
Ponto triplo
Ponto triplo é o estado em que as fases
sólida, líquida e gasosa de uma substância
coexistem em equilíbrio.
O ponto triplo da água ocorre:
Pressão = 0,006 bar
Temperatura = 0,01 ºC
Água se expande quando congela !!!
•
•
•
Quando congelada, ao invés de se retrair, a água
se expande e flutua sob a parte líquida (gelo é
menos denso que a água).
Por isto a água de lagos, rios, oceanos, copo,
etc. forma uma camada de gelo na superfície em
não no fundo.
Caso a água se contraísse ao congelar, o
congelamento dos lagos e oceanos começaria
do fundo para a superfície, afetando seriamente
a vida marinha.
w
2, 3 4
1
5
Do ponto A ao B, a
substância passa da
região de sólido para
de vapor, cruzando a
linha de sublimação.
w
Exemplo: dióxido
de carbono sólido
(gelo seco) à patm.
A pressão no ponto
triplo é de 0,52MPa,
superior à patm.
2, 3 4
1
A
5
B
À 1 atm o dióxido
de carbono sublima
à -77oC.
Diagrama de fase P-υ
υ
w
w
SUPERHEATED
Processo isotérmico
v
Superfícies Termodinâmicas
• Sintetizam as tabelas termodinâmicas;
• Essas superfícies correlacionam uma
propriedade em função da temperatura e da
pressão;
• Para o caso do volume específico, podem ser de
dois tipos:
– Superfícies para substâncias que se expandem na
solidificação (água);
– Superfícies para substâncias que se contraem na
solidificação (aço);
Superfícies Termodinâmicas
• Sintetizam as tabelas termodinâmicas;
• Essas superfícies correlacionam uma
propriedade em função da temperatura e da
pressão;
• Para o caso do volume específico, podem ser de
dois tipos:
– Superfícies para substâncias que se expandem na
solidificação (água);
– Superfícies para substâncias que se contraem na
solidificação (aço);
Considerações Finais
• A superfície termodinâmica tem a vantagem de
permitir visualizar a evolução do processo, mas
não permite obter dados precisos das
propriedades.
• Nas tabelas ocorre o contrário.
• O ideal é usar as projeções na superfície para
visualizar os processos e utilizar as tabelas para
obter os valores das propriedades.
• As tabelas apresentam os dados na forma
discreta:
– Se não houver os dados para um determinado estado,
será necessário fazer uma interpolação.
Exercício 1) Utilizando a Tabela A-1.1 ou A-1.2, determine se
os estados da água são de líquido comprimido, líquidovapor, vapor superaquecido ou se estão nas linhas de
líquido saturado ou vapor saturado.
a) P=1,0 MPa; T=207 ºC
b) P=1,0 MPa; T=107,5 ºC
c) P=1,0 MPa; T=180 ºC; x=0,0
d) P=1,0 MPa; T=180 ºC; x=0,45
e) T=340 ºC; P=21,0 MPa
f) T=340 ºC; P=2,1 MPa
g) T=340 ºC; P=14,586 MPa; x=1,0
h) T=500 ºC; P=25 MPa
i) P=50 MPa; T=25 ºC
Exercício 2) Qual a massa de água em um tanque com 0,5 m3
de volume para os sistemas abaixo (T = 200oC):
a) sistema A: P = 0,5 MPa
b) sistema B: vapor saturado
c) sistema C: x = 0,7
Respostas:
a) 1,1767 kg vapor superaquecido
b) 3,9259 kg vapor saturado
c) 5,5867 kg mistura líquido-vapor

Capítulo 3: Propriedades de uma Substância Pura

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